CN102763573A - 一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置和系统及观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置和系统及观测方法。本发明所述装置为植物根系生长的生长室，包括设置于同一底板上的主室和若干分室，每一分室是由两个相对竖立的透明观察面和一个外侧面构成的框体空间，所有分室之间呈放射状接合后所形成的连通各分室的空间构成主室。所述系统包括生长室、遮光罩、水肥调控系统、图像采集系统和根系参数分析系统。将喷湿的土壤装入生长室中，并置入防堵出水口，于主室中栽入植株，罩上遮光罩，使用水肥调控系统调节分室内水肥状况，利用图像采集系统对观察面的根系进行图像捕获，使用根系参数分析系统对根系参数进行测量分析，本发明实现了对不同类型作物，尤其是大、中型作物根系的原位动态观测，还适用于同时观测不同培养条件下根系的动态生长情况。

Description

一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置和系统及观测方法

技术领域

本发明属于根系生物学、植物营养学、土壤学、作物栽培学和植物生理学技术领域，具体涉及一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置、系统及植物根系原位动态观测方法。

背景技术

根系是植物从土壤等介质环境中吸收养分和水分的重要器官。对植物根系进行定量描述及分析，有助于准确的了解植物根系在土壤中的生长发育情况及其时空分布，这对农业生产实现优质、高产、养分高效利用具有重大意义。

由于土壤的不透明性，使用非扰动方法观察植物根系并非易事。人们为了弄清植物根系在土壤中生长与分布的真实情况，研究出了多种对根系进行观测的方法，对根系展开了系统深入的研究，并已取得了一定的突破，如US 2008/0028678 A1公开了一种可拆卸的以观察根系的栽培容器，CN 200994306Y公开了一种观察苗期玉米根系时空分布的装置等。然而现有的根系观测方法存在着许多不容忽视的问题：如钉板法、容器法、气培法、管栽法、网袋法等需要先进行破坏性取样,使根系与土壤分离开来，然后进行手工测量，或借助于专用仪器对根长、根数量、根级数、根体积、根表面积等形态参数（多数是平面数据）逐项进行人工辅助测量，整个取样和测量过程既耗时费力，而且容易出现根移位、断裂和水分逸失等问题，因此存在较大误差，很难实现准确测量。

非损伤性原位测量方法为在保持植物根系自然分布情况的前提下研究植物根形态及结构提供了可能。这些方法包括利用同位素示踪法、地下根室（如CN 200610011344）及微根管（如US 20060178269）进行的研究等，尽管这些手段不需要破坏性取样，免去了耗时费力的取样程序，但只能获得有限的原位观测数据，难以获得完整、准确空间形态数据。同时，许多非损伤性观测方法需借助一些价格昂贵的设备，如微根管法所需的微根管价格要4万美元。使用透明非土壤介质进行植物栽培，特别是以营养液供给植物养分的根系观测方法，已经得到了长足发展，为根系生物学的研究提供了大量重要数据和成果，不少研究者已经提出了许多基于非土壤介质的根系观测装置，这些装置应用了包括营养液培（如CN 200987313Y，CN 201094206Y）、琼脂培（CN101658107A）、营养袋纸培（CN 2532679Y）等技术。这些方法尽管能在不损伤根系的情况下使根完全暴露在视野中，被认为是一种便捷可行的根系构型原位定量化试验方法。但是，根系在上述介质中生长和在土壤中生长环境存在差异，受到的阻力小于土壤。

目前缺乏真正的在土壤栽培条件下，能对植物的根系进行多角度观测的装置及观测植物根系的方法。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有植物根系观测技术的不足，提供一种结构简单、操作方便，能在土壤栽培条件下进行动态原位观测根系生长并实现根系图像可视化、根际环境可调控的根系原位观测装置。

本发明的另一目的是提供一种基于所述装置实现土壤栽培条件下植物根系原位动态观测系统。

本发明还有一个目的是提供基于所述装置和系统实现土壤栽培条件下植物根系原位动态观测的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

提供一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置，为植物根系生长的生长室，所述生长室包括设置于同一底板上的主室和若干分室，每一分室是由两个相对竖立于底板上的透明观察面和一个外侧面构成的框体空间，所有分室之间呈放射状接合，分室接合后所形成的连通各分室的空间构成主室。

优选地所述分室的个数为3或4个。

优选地，所述分室的透明观察面和外侧面为长方形玻璃，二者的长边长度相等、厚度相等。

作为优选的技术方案，所述观察面为60～100 cm长，30～50 cm宽，5～10 mm厚的长方形透明玻璃；外侧面为60～100 cm长，1～3cm宽，5～10 mm厚的长方形透明玻璃。

作为优选的方案之一，本发明所述装置中，所述底板上设置有水平插槽，底板的边缘上设置有侧面固定板；所述侧面固定板上设置有可固定观察面的竖直插槽，所述侧面固定板的个数与分室个数相同。观察面刚好可嵌入侧面固定板的竖直插槽与底板的水平插槽中，并得以很好地固定。

作为另一优选的方案之一，在所述分室的                                                

和/或高处分别铺设有横向蜡纸面，或在所述外侧面相对的面铺设有纵向蜡纸面，还可以同时设置所述横向蜡纸面和纵向蜡纸面。所述蜡纸面具有易被根系穿过，同时阻隔养分和水分在各层之间，或各分室之间流动的作用，以更好地实现分层调控根际环境的效果。基于所述优选方案，本发明所述装置可适用于需要对不同分室之间、分室内不同区域进行施用区域比较精准的水肥供应且实验时间短于10天的实验，可实现同时观测不同培养条件下根系的动态生长情况。

基于本发明装置，本发明提供一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测系统，在上述生长室结构基础上还包括遮光罩、水肥调控系统、图像采集系统和根系参数分析系统；所述的遮光罩包括一个无底无盖的遮光套和遮光盖；

优选地，所述遮光套为圆筒形，可围住生长室；更为优选地，在遮光套的侧面设有一条拉链、尼龙搭扣或绑带等固定件（垂直向下），方便开启和封闭遮光套。

所述的遮光盖优选为若干扇形盖片，扇形盖片刚好封住遮光套与生长室上端之间的开口。

优选地，所述遮光套采用双层隔热铝箔制成；所述遮光盖采用设有隔热铝箔的铝片制成。

所述水肥调控系统包括水肥贮存瓶、供液管、流量调节器和防堵漏斗，所述防堵漏斗一端为小口，另一端为大口，小口在上，大口在下；所述水肥贮存瓶悬挂在高于土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置的位置，所述供液管的一端与水肥贮存瓶连接，另一端经过流量调节器后穿过防堵漏斗的小口，然后在防堵漏斗的大口处回折（回折成“J”字形），供液管的出水端口紧靠防堵漏斗内壁，两者构成一个防堵出水口。

所述流量调节器流量调节器能在0～2.0 mL/min之间调节供液管中流量。

作为优选，所述的防堵漏斗为大口处直径为0.5～1 cm，高3 cm的塑料普通漏斗。

所述图像采集系统包括一台数码照相机或便携式扫描仪和遮光布。

优选地，所述数码相机有效像素在10 M以上，所述扫描仪分辨率在72 dpi以上。

所述遮光布采用足够大的黑布，在进行图像捕获时，采用遮光布调整观察面上需要捕获区域的光照情况。

所述根系参数分析系统为安装有带Object J插件的Image J图像处理软件的计算机及安装在生长室观察面上的标尺。

作为优选，Image J软件版本在1.46e 以上，Object J版本在1.01u以上；标尺为30 cm以上的不锈钢尺。

基于本发明装置和系统，本发明提供一种新的土壤栽培条件下植物根系原位动态观测方法，包括以下步骤：

（1）将供试土壤自然风干捏碎后，过3mm筛，用适量的水喷洒土壤并快速翻搅混合至土壤刚刚全部湿润后待用；

（2）组装土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置和水肥调控系统；

（3）将经步骤（1）处理好的湿润土壤均匀地装入生长室中，同时，分别在每个分室的

和

高处置入防堵出水口，并在装土至离生长室上端5～7cm处，后改用过3 mm筛的细沙或基质填充剩余生长室空间；

所述基质包括但不限于泥炭、椰糠、蔗渣或珍珠岩；

（4）将生长室围上遮光套，并盖上遮光盖；

（5）将植株幼苗移栽到主室中，培育至观察面上出现1～2条根后，根据具体实验设计需要，以0.1～1.0 mL/min的流速，利用水肥调控系统对每个分室内的根系进行水分、养分处理；

（6）进行根系观察时，取下遮光套和遮光盖；

（7）用遮光布调整光照情况，使用数码相机或扫描仪对观察面的根系进行图像捕获，完成根系参数的采集；

（8）使用图像分析软件对根长、根数、根系宽度、根系深度等根系参数进行测量分析。

本发明成功通过制造一个相对狭小但在多个方向伸展的空间供植物根系生长，使根系能多角度充分显露，克服了过去的原位观测装置把三维的根系压缩在二维平面上的缺点。

本发明设计合理的水肥调控系统，能定量定速率地为植物供给水分和养分，从而实现局部调控根系。

巧妙设计的遮光罩为整个装置营造一个受光照影响较小的空间，同时减小了外界温度对土壤和根系的影响。图像采集系统将观察面上的光信息数字化，并通过根系参数分析系统测定根系参数。

具体来说，本发明实现了以下显著的技术效果：

（1）本发明通过多个方向布置分室对土壤栽培条件下植物根系原位生长状况进行可视化分析，较好地协调了根系自然生长需要充足的空间与为了便于观察根系而需要压缩空间之间的矛盾，从而能较好的反映土壤原位生长下的根系的三维生长状况，真正实现不需要破坏性取样即可实现土壤情况下植物根系动态的观测。

（2）本发明设计的遮光罩结构能减少生长室与外界的热交换，同时能阻挡外界光的照射，减小了外界温度和光照对土壤与根系的影响，从而解决了因未考虑外界环境对根系的影响，而使研究结果产生误差的问题。

（3）本发明通过水肥调控系统可改变土壤中的水分和养分状况，因此，运用本发明还可以进行水分和养分供应状况与植物根系生长的关系等方面的研究：如局部施肥实验、养分拮抗实验、分区灌溉实验等。结合蜡纸面的设计，本发明装置可适用于需要对不同分室之间、分室内不同区域进行施用区域比较精准的水肥供应实验，可实现同时观测不同培养条件下根系的动态生长情况。

（4）本发明防堵出水口的设计，“J”形出水口被罩在漏斗中，而非使其直接暴露在土壤中；营养液从防堵出水口溢出，沿防堵漏斗内壁或供液管的外壁流下，逐渐扩散浸润土壤。这样既解决了长期从上部灌水导致土壤局部板结粘化，通气性能变差，灌水不均匀等问题，又解决了地下微灌常遇到的堵塞问题，还实现了对不同分室、不同土壤层次进行定量灌溉的目的。

（5）采用本发明装置和方法可进行局部施肥实验、养分拮抗实验和分区灌溉实验等，具有易推广的实用性，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明装置一种实施方案（三个分室组装成的生长室）的结构示意图；

图2是本发明生长室的结构示意构图；

图3是本发明水肥调控系统的结构示意图；

图4是本发明遮光罩的结构示意图；

图5是本发明防堵出水口的结构示意图；

图6是本发明观察面上的烟草根系动态生长状况图；

图7是本发明带外侧面的底板结构示意图；

图8是本发明装置另一种实施方案（四个分室组装成的生长室）的结构示意图；

图9是本发明分室与蜡纸面的结示意构图。

具体实施方案

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细描述，具体植物的种类及其根系的培养方法参照本技术领域常规，本发明旨在说明对土壤生长环境下任何根系的动态观测原理和方法，具体的哪一种植物和哪一种根、采用何种营养液并不对本发明造成任何限定。

实施例1

本实施例提供一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置，见附图1～5所示。所述装置为植物根系生长的生长室，所述生长室包括设置于同一底板13上的主室2和若干分室1，每一分室1是由两个相对竖立于底板上的透明观察面12和一个外侧面11构成的框体空间，所有分室1之间呈放射状接合，分室接合后所形成的连通各分室的空间构成主室2。

为了便于说明，附图1提供的装置包括3个分室1，三个分室1拼合后呈“Y”形（放射状）分布，接合后分室接合后所形成的连通各分室的空间构成主室2。

所述分室观察面12、外侧面11均采用5 mm厚的玻璃加工而成，分室1的外尺寸为60 cm×30 cm× 3 cm；主室2为底面边长2 cm，高60 cm的正三棱柱体。所述底板13为半径35 cm的圆盘。

基于所述生长室结构，本发明建立了一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测系统，包括生长室，还包括遮光罩、水肥调控系统、图像采集系统和根系参数分析系统。

所述的遮光罩包括一个无底无盖的遮光套3和遮光盖5；所述遮光套3为一个高61 cm，半径为31 cm的无底无盖筒状物，围住生长室，在遮光套的侧面设有一条拉链4（垂直向下）。遮光盖5为扇形盖片，设有3个，刚好封住遮光套3与生长室之间的开口。所述的遮光套3由双层隔热铝箔制成，所述遮光盖5采用设有隔热铝箔的铝片制成。

水肥调控系统由水肥贮存瓶9、供液管7、流量调节器8和防堵漏斗10组成。供液管7的出水端结合防堵漏斗10组成防堵出水口。水肥贮存瓶9可选用500 mL有刻度的塑料瓶。供液管7的一端与水肥贮存瓶9连接，另一端经过流量调节器8后穿过防堵漏斗10的小口，在大口处回折成“J”字形，供液管的出水口紧靠防堵漏斗10内壁形成一个防堵出水口，防堵出水口置于分室土壤中。流量调节器8能在0～1.0 mL/min之间调节供液管7的流量。防堵漏斗10为普通塑料漏斗，其大口处直径为1 cm，高为3 cm。

图像采集系统包括一台10.1M有效像素的三星NV11数码相机、一匹1.4 m×2 m的黑布（遮光布）。根系参数分析系统是装有1.01u版本 Object J插件的1.46e 版本Image J软件的计算机。为测量而建立的项目文件中定义有根长、根数等指标。标尺为一条30 cm的不锈钢尺，通过夹子固定在观察面12上。

上述装置和系统的组装方法包括以下步骤：

（1）生长室的组装：将外侧面11与两个观察面12通过玻璃胶黏合成“匸”形框体以组成分室1；将三个分室1以外侧面11向外呈“Y”形放置在底板13上，并紧密地接合三个分室1形成连通各分室1的主室2，用玻璃胶将缝隙黏合。

（2）组装水肥调控系统：将供液管7一头接上水肥贮存瓶9，另一头穿过防堵漏斗10后弯成“J”形，将流量调节器8安装在供液管7上。

（3）备土：将实验土壤与沙以3:2的比例混合后过3 mm筛后，用适量的水喷洒土壤并快速翻搅混合至土壤刚刚全部湿润后待用。

（4）装土及放置防堵出水口：将土壤装入生长室中，在放置底部20 cm土壤后，把防堵出水口埋置入土壤中，继续加土至40 cm高，再放入另一个防堵出水口，继续加土15 cm，然后加入泥炭（过3 mm筛）至顶部。

（5）安装遮光罩：把遮光套3围住生长室，拉上拉链4，盖上遮光盖5。

实施例2

    按照实施例1的方法组装土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置和系统后，进行以下操作：

（一）植物栽培：见附图1～5所示，将烟草幼苗6培育至四叶一心后，栽入主室2，随后用水肥贮存瓶9中的营养液供给幼苗养分，待从生长室1的观察面12中观察到1～2条根时，通过所述水肥调控系统每隔2天供应100 mL 2个剂量的烟草营养液（参照Hoagland-Arnon配方），调节流量调节器8至流速为0.5～1.0 mL/min。

（二）图像采集：进行图像采集时，将遮光盖5拿去，拉开遮光罩的拉链4，解下遮光套3暴露观察面12。将标尺固定在需要拍照的观察面12上。用黑布调整根箱需要进行图像采集区域的光照情况，使观察面12上无反光及映像。将照相机架设在相机支架上，调整物距使观察面12上的图像充满整个取景框，照相机设置如下：照片尺寸10M、自动档、闪光关闭、常规自动对焦、定时10s，连拍两张。上述工作完成后依次对各个观察面12进行拍照。

（三）测定根系参数：安装Image J软件及Object插件后，创建项目文件，在“项目”选项卡中定义根数、根长、根宽度、根深度等项目；其中根数定义为“点”，统计方法为计数；根长定义为“折线”，统计方法为“长度”；根深度和根宽度定义为“直线”，统计方法定义为“长度”。

采用本发明装置和方法，得到的烟草移栽后第10、17、24、35、46、53天后根系的动态生长状况图像，见附图6。附图6为移栽后不同时间本装置观察面上根系生长的变化情况图，其中右下角的小图（图a）为移栽后第53天图中黑色方框内图像的放大图。烟草移栽后第53天，将生长室的分室中各层的根系挖掘出来后，与本装置观察面12所得的根长进行比较，结果如表1所示，说明通过本装置观察面所测得的在土层深度为0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm的根长与挖掘生长室相应土层深度的根长具有较好的相关性。本装置和系统成功实现土壤栽培条件下烟草根系原位动态观测，操作简便。

表1 根箱观察面上的根长与挖掘根箱所得的根长的比较

注：多重比较采用Ducan氏检验法（α=0.05），同一列不同字母表示差异达到显著水平。* 表示达到95%的显著水平。

实施例3

本实施例除下列特征外，其他特征同实施例1和2：如附图7所示，所述底板13上设置有侧面固定板14和水平插槽15。所述侧面固定板14竖立在底板13的边缘上，其上设置有两条可固定观察面12的竖直插槽16，所述侧面固定板14的个数为3个。所述水平插槽15所围成的图形呈“Y”形。观察面12的侧面（贴近外侧面11的面）刚好可嵌入侧面固定板14的竖直插槽16，观察面12的底部刚好可嵌入底板13的水平插槽15中，并得以很好地固定。

组装生长室时，将观察面12嵌入侧面固定板14的竖直插槽16（稍留空隙），观察面12的底部嵌入底板13的水平插槽15中，再将外侧面11紧贴侧面固定板14内壁置入，组成“匸”形框体以组成分室1；三个分室1组装好后，形成以外侧面11向外呈“Y”形放置的生长室。本实施例在原来设计的基础上更加方便安装和拆卸清理，方便使用和搬动。

实施例4

本实施例除下列特征外，其他特征同实施例1和2：所述图像采集系统采用Skypix TSN410型扫描仪，参数如下：彩色扫描模式、600 dpi分辨率。观察面12上不放尺子。观察面12上扫描时将扫描仪水平地贴在观察面12上，自上而下推动扫描仪使其扫过整个观察面12。

实施例5

本实施例除下列特征外，其他特征同实施例1：所述生长室有四个分室1，四个分室1呈“十”字形放射状分布，同时设置4个遮光盖，装置的主要结构部分示意图见附图8。

实施例6

本实施例除下列特征外，其他特征同实施例1：如附图9所示，所述分室1的和

高处铺设有横向蜡纸面17，所述外侧面11相对的面，铺设有纵向蜡纸面18，所述蜡纸面具有易被根系穿过，同时阻隔养分和水分在各层之间，或各分室之间流动的作用，以更好地实现分层调控根际环境的效果。本实施例适用于需要对不同分室之间、分室内不同区域进行施用区域比较精准的水肥供应且实验时间短于10天的实验，也适用于研究了解不同培养环境下根系的生长情况。

当使用实施例1尺寸的观察面及外侧面组装的分室时，所述横向蜡纸面17规格优选为60g、宽2cm、长30cm；所述纵向蜡纸面18的规格优选为60g、宽3cm、高60cm。 

Claims (9)

1.一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置，为供植物根系生长的生长室，其特征在于所述生长室包括设置于同一底板上的主室和若干分室，每一分室是由两个相对竖立于底板上的透明观察面和一个外侧面构成的框体空间，所有分室之间呈放射状接合，分室接合后所形成的连通各分室的空间构成主室。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述分室的个数为3或4个。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述分室的透明观察面和外侧面为长方形玻璃，二者的长边长度相等、厚度相等。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述观察面长为60～100 cm、宽为30～50 cm、厚为5～10 mm；所述外侧面长为60～100 cm、宽为1～3 cm、厚为5～10 mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述底板上设置有水平插槽，底板的边缘上设置有侧面固定板；所述侧面固定板上设置有两条可固定观察面的竖直插槽，所述侧面固定板的个数与分室个数相同。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在所述分室的                                                

和/或

高处分别铺设有横向蜡纸面；在所述外侧面相对的面铺设有纵向蜡纸面。

7.一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测系统，其特征在于包括权利要求1所述装置，还包括遮光罩、水肥调控系统、图像采集系统和根系参数分析系统；

所述的遮光罩包括遮光套和遮光盖；

所述水肥调控系统包括水肥贮存瓶、供液管、流量调节器和防堵漏斗；所述水肥贮存瓶悬挂在高于土壤栽培条件下植物根系原位动态观测装置的位置，所述供液管的一端与水肥贮存瓶连接，另一端经过流量调节器后穿过防堵漏斗的小口，然后在防堵漏斗的大口处回折，供液管的出水端口紧靠防堵漏斗内壁，两者构成防堵出水口；

所述图像采集系统包括一台数码照相机或便携式扫描仪和遮光布；

所述根系参数分析系统为安装有带Object J插件的Image J图像处理软件的计算机及安装在生长室观察面上的标尺。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于所述遮光套为围住生长室的无底无盖的圆筒套，在遮光套的侧面设有拉链、尼龙搭扣或绑带。

9.一种土壤栽培条件下植物根系原位动态观测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将供试土壤自然风干捏碎后过筛，湿润处理后待用；

（2）组装权利要求1所述装置和权利要求7所述的水肥调控系统；

（3）将经步骤（1）处理好的湿润土壤均匀地装入权利要求1所述生长室中，并置入防堵出水口；

（4）将生长室围上遮光套，并盖上遮光盖；

（5）将植株幼苗移栽到主室中，培育至观察面上出现1～2条根后，根据需要以0.1～1.0 mL/min的流速，利用水肥调控系统对每个分室内的根系进行水分、养分处理；

（6）进行根系观察时，取下遮光套和遮光盖；

（7）用遮光布调整光照情况，使用数码相机或扫描仪对观察面的根系进行图像捕获，完成根系参数的采集；

（8）使用图像分析软件对根长、根数、根系宽度、根系深度等根系参数进行测量分析。

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